基于STEP-NC的數(shù)控車削加工仿真關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間，數(shù)控編程都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G，M代碼描述如何加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程。近年來的研究和實(shí)踐表明，基于ISO6983的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)接口存在現(xiàn)場(chǎng)編程或修改非常困難、產(chǎn)品信息不全、系統(tǒng)間信息交換困難等缺點(diǎn)，不利于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的智能化，已成為阻礙制造系統(tǒng)信息集成的瓶頸，嚴(yán)重制約著數(shù)控系統(tǒng)乃至制造業(yè)的發(fā)展。為此，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家提出了一種新的CAM/CNC接口規(guī)范，稱為STEP-NC，即為CNC定義的一種與

2、STEP兼容的新接口標(biāo)準(zhǔn)。STEP-NC遵從STEP(ISO 10303)中對(duì)幾何信息的描述規(guī)則，同時(shí)又加入了與數(shù)控加工有關(guān)的工藝信息，并以面向?qū)ο蟮姆绞酵ㄟ^一系列特征的幾何信息和加工要求來描述整個(gè)數(shù)控加工任務(wù)，從而將產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換STEP標(biāo)準(zhǔn)(ISO 10303)延伸到數(shù)控加工領(lǐng)域，建立起一條貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程的信息高速公路。STEP-NC的出現(xiàn)對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。STEP-NC取代傳統(tǒng)的G、M代碼以

3、后，數(shù)控加工階段實(shí)際上成-為制造信息最集中的階段，數(shù)控系統(tǒng)能夠全面了解加工對(duì)象、加工資源、條件以及本身運(yùn)行狀況，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程進(jìn)行智能化控制。 本文的研究是基于STEP-NC的智能化數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的一部分，以車削為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了STEP-NC車削數(shù)控系統(tǒng)中仿真模塊實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，為STEP-NC車削數(shù)控系統(tǒng)智能化的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。 作為STEP-NC數(shù)控車削系統(tǒng)智能化決策的依據(jù)，仿真模塊是STEP-NC數(shù)

4、控系統(tǒng)的重要組成模塊之一，在對(duì)仿真模塊在數(shù)控系統(tǒng)中所執(zhí)行的功能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于STEP-NC的數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)由仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、仿真建模和仿真運(yùn)行等三大部分組成。仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要是指進(jìn)行仿真前所必須進(jìn)行的數(shù)據(jù)的處理、加工規(guī)劃、刀具路徑規(guī)劃等工作。根據(jù)建模的目的和作用的不同，仿真建模主要由兩部分組成：幾何仿真建模和物理仿真建模。物理仿真建模主要包括了切削力、振動(dòng)、加工質(zhì)量、加工溫度場(chǎng)、刀具磨損等模型的

5、建立。幾何仿真建模主要是指幾何仿真所需要的幾何模型、運(yùn)動(dòng)模型、仿真控制模型等的建立。仿真運(yùn)行和輸出是指在仿真環(huán)境中運(yùn)行仿真模型，得出仿真結(jié)果。該體系結(jié)構(gòu)為STEP-NC車削加工仿真的研究提供了基礎(chǔ)。 STEP-NC車削程序的解析、加工規(guī)劃以及刀具路徑規(guī)劃是進(jìn)行仿真的前提?；赟TEP-NC車削標(biāo)準(zhǔn)和車削程序，對(duì)STEP-NC車削程序的解析、工藝規(guī)劃和刀具路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究。STEP-NC車削程序解析的關(guān)鍵是程序語言向建模仿真語言

6、的翻譯和程序信息的檢索，根據(jù)EXPRESS語言的語法特點(diǎn)，制定了STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)采用的描述方式向仿真建模語言(C++)映射的規(guī)則，應(yīng)用該規(guī)則可以將STEP-NC程序的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為不同的C++類；提出了根據(jù)關(guān)鍵字和屬性檢索STEP-NC車削程序信息的方法，檢索得到的信息賦值給C++類對(duì)象中的成員變量，從而可以完成程序的解析。根據(jù)STEP-NC車削信息中對(duì)工藝問題的描述，分析了車削加工規(guī)劃所涉及的基本問題，采用在工步之間加入一些輔助

7、工步或操作的方法實(shí)現(xiàn)了車削工步序列的連續(xù)化問題，從而解決了車削加工規(guī)劃的基本問題。在對(duì)幾何模型的建立方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)STEP-NC車削加工的特點(diǎn)，提出了STEP-NC車削仿真工件幾何模型的建立方法。將制造特征按照工步進(jìn)行劃分，形成工步制造特征，進(jìn)行工件幾何造型時(shí)，將工步制造特征依照其在工件坐標(biāo)系中的位置和加工后的工件的幾何模型疊加在一起，形成工件的初始幾何模型，進(jìn)行加工時(shí)，按照工步的執(zhí)行順序，依次從初始工件模型上去除每個(gè)工步的

8、制造特征，形成加工后的工件。采用上述方法，在仿真時(shí)可以清晰的表達(dá)每個(gè)工步制造特征的加工情況，從而解決了車削仿真工件幾何建模的基本問題。 切削力建模與仿真是STEP-NC車削加工過程物理仿真的基礎(chǔ)，根據(jù)STEP-NC車削數(shù)據(jù)模型和數(shù)控程序中的信息，建立了適用于STEP-NC車削加工過程的切削力模型。STEP-NC車削程序提供了工件材料、切削用量以及刀具參數(shù)等信息，這些信息是影響STEP-NC車削加工過程切削力的主要因素，刀具和工件

9、相對(duì)位移的變化將引起切削力的變化，進(jìn)而引起加工過程中的振動(dòng)，最終影響到加工質(zhì)量。論文中的切削力建模過程綜合考慮了切削加工過程中工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)以及刀具．工件的相對(duì)位移等因素，建立了包含上述因素的STEP-NC切削力的機(jī)械模型，模型可以較為全面地反映各因素對(duì)STEP-NC車削加工切削力的影響，建立了STEP-NC切削力模型仿真運(yùn)行的軟件環(huán)境，通過應(yīng)用所建立的STEP-NC車削加工切削力模型進(jìn)行仿真，得出了STEP-NC提供

10、的各加工參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，為STEP-NC車削加工過程中切削力的智能控制提供了決策依據(jù)。 振動(dòng)仿真是STEP-NC數(shù)控加工物理仿真的重要內(nèi)容之一，應(yīng)用基于STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的工藝系統(tǒng)參數(shù)和STEP-NC程序提供的加工參數(shù)，以切削過程中切削面積的動(dòng)態(tài)變化為基礎(chǔ)，建立了STEP-NC車削加工系統(tǒng)的振動(dòng)模型。振動(dòng)模型綜合考慮了STEP-NC車削加工的切削用量、刀具幾何參數(shù)和工藝系統(tǒng)參數(shù)的影響，編寫了振動(dòng)仿真程序。應(yīng)用建立的模型通

11、過仿真分析了STEP-NC車削系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)中振動(dòng)的影響，為STEP-NC車削數(shù)控系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行分析提供了技術(shù)上的解決方案。根據(jù)STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)，提出了STEP-NC框架下的車削表面粗糙度的表達(dá)方式，基于本文提出的表達(dá)方式，STEP-NC車削控制器可以將加工后的以STEP-NC格式描述的表面粗糙度信息反饋給CAD/CAM系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)CAD/CAM與基于STEP-NC的CNC系統(tǒng)的集成。 表面粗糙度和表面形貌是STEP-

12、NC車削數(shù)控系統(tǒng)智能化控制的對(duì)象，本文的研究建立了STEP-NC車削表面粗糙度和表面形貌的二維、三維數(shù)學(xué)模型。建立的模型綜合考慮了切削用量、刀具幾何參數(shù)以及系統(tǒng)振動(dòng)情況的影響，應(yīng)用建立的模型進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明仿真模型可以分析刀具幾何參數(shù)、切削用量以及系統(tǒng)振動(dòng)情況對(duì)表面粗糙度和表面形貌的影響，從而數(shù)控系統(tǒng)的仿真模塊可以根據(jù)本文提供的模型分析和控制加工工件的表面粗糙度。 以上述STEP-NC仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究為基礎(chǔ)，應(yīng)用本文提

13、出的STEP-NC幾何建模技術(shù)和物理仿真模型，對(duì)典型工件的車削加工過程進(jìn)行了研究。根據(jù)典型工件的STEP-NC車削程序，建立了工件和刀具的幾何模型，仿真了加工過程刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，應(yīng)用典型工件的基于STEP-NC的加工信息以及加工系統(tǒng)的STEP-NC描述信息，根據(jù)論文中的物理仿真模型，分析了工件加工過程的穩(wěn)定性以及切削力、表面粗糙度、表面形貌的情況。通過應(yīng)用論文中建立的模型和提出的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)典型零件的車削過程進(jìn)行仿真分析，證明了論文中建立